1. 引言
　　電動機系統節能工程是國家發改委啟動的“十一五”國家十大重點節能工程之一。在很多大型煤礦、電力等企業中，有很多大功率的螺桿式空壓機為井下氣動設備提供氣壓，其年耗電量十分可觀。由于井下設備較多，且用風時間不固定，用風量不穩定，因此空壓機必須連續運轉。當用風量小時導致空壓機長時間低負荷運行，電能損耗增大并加劇了設備的磨損，增加了運行成本。如負荷小時將設備停機或部分設備停機，將導致操作頻繁，縮短設備壽命，而且會影響用風設備及風動工具的正常工作。
　　采用級聯多電平高壓變頻器拖動高壓大功率電動機的方案具有對電網無沖擊、可靠性高、節能效果顯著、輸出諧波小、輸入功率因數高等優點，故已成為發展主流趨勢。
　　高壓變頻器在為河南煤化集團鶴壁四礦的兩套螺桿式空壓機傳動系統，主要為井下設備提供氣動力，原來為工頻直接啟動，長期工頻恒速運行，存在著啟動電流大、能量嚴重浪費、供氣壓力不穩定等缺點，故采用了變頻改造以提高經濟效益和社會效益，本文主要介紹該變頻改造工程。
2. 空壓機變頻改造的必要性
2.1 螺桿空壓機的基本工作原理
　　螺桿空壓機的主要工作方式為啟動、停止、加載、卸載，其進氣口設置加載閥，通過加載電磁閥來控制入口閥門的開關。空壓機運行時，若排氣壓力低于設定目標壓力的下限，則空壓機控制器使加載電磁閥得電，將入口閥門打開，空壓機處于滿負荷加載狀態；若排氣壓力高于設定目標壓力的上限，則空壓機控制器命令加載電磁閥失電，從而將入口閥門關閉，空壓機處于無負荷卸載狀態，此時空壓機實際為空轉運行。

2.2原工頻拖動設備方案分析
　　系統為兩套參數相同的上海復盛旋轉螺桿式空壓機傳動系統，由異步電機拖動空壓機旋轉，空壓機及其控制系統壓縮空氣為井下氣動設備供氣。
　　異步電機參數：額定電壓6KV，額定電流43A，額定功率375KW。
空壓機系統運行情況如下：
（1）一臺設備運行，一臺設備備用；如某臺設備出現故障則退出運行，啟動另外一臺設備。
（2）為提高空壓機傳動設備運行壽命，方便檢修，兩臺設備每三天倒一次閘，使運行設備轉為備用設備，備用設備轉為運行設備。
（3）氣壓大于0.6MPa井下氣動設備就可以工作，井下設備存在著幾個用氣高峰點，用氣少時井下壓力就高，空壓機控制系統通過加、卸載方式調節壓力，存在著調節速度較慢、調節精度不高和電磁閥頻繁動作的缺點，實際每天的輸出壓力在0.60MPa至0.75MPa之間。
（4）電機一直在工頻50Hz恒速運轉，電機每天的平均額定電流為38A；啟動瞬間電流有效達200A左右；平均功率約310KW。
　　據電機傳動控制原理，輸出功率正比于輸出轉速和輸出轉矩（轉矩與負載壓力成正比）兩個主要因素，原電機傳動系統在轉速和壓力都有下調空間，存在著巨大的能量浪費，采用變頻調速對壓力和速度進行連續可以大量節約電能。
3. 高壓變頻器系統的原理和應用
　　經設計冗余考慮，選擇我公司GVF-500-6-F2型的級聯多電平高壓變頻器，額定容量500kVA，每相6個功率單元級聯。根據礦井氣動設備系統特點，系統采用壓力閉環，給定壓力為0.62MPa，變頻器內置數字PID調節器，在變頻器界面上只需設置壓力給定變頻器即可自行對輸出頻率進行調節以穩定壓力。
3.1變頻器改造電氣方案
變頻的電氣主接線圖如下：

圖1 變頻器電氣主接線圖
Fig1 main electric circuit of inverter

　　說明：1QF為1#啟動柜斷路器，2QF為2#啟動柜斷路器，QS1~QS6為手動隔離開關。其中QS5和QS2機械互鎖；QS4和QS1機械互鎖；QS6和QS3機械互鎖；QS5和QS4通過程序鎖互鎖；QS2和QS1通過程序鎖互鎖。
　　選擇1#高壓電機變頻運行時需要開關操作順序：斷開QS4，合QS5，合QS6，合1QF。
當變頻器帶1#電機時如變頻器需要運行檢修則斷開1QF，合QS1，合2QF，使2#工頻拖動。
　　采用該變頻調速方案，設備的可靠性得以進一步提高。
　　6kV高壓變頻器每相由6個功率單元組成（圖2每相只畫出了3個模塊）。多電平高壓變頻器主要由旁路開關柜（圖1所述）、移相變壓器、功率單元和控制器組成。如圖2示。

圖2 級聯型多電平變頻器系統結構
Fig2 Frame of the cascaded multilevel inverter

　　移相變壓器每相有6個繞組（圖2每相只畫出了3個），繞組依次錯開10度，實現了36脈波整流。移相變壓器的輸出接至各個功率單元，控制器通過光纖驅動各功率單元。（圖中A相各單元接至移相變壓器，B、C相同理）。每個功率單元由三相橋式整流和H橋逆變組成，可以看出每個單元整流后的直流電壓是獨立的，這樣利于IGBT的控制，每相由低壓疊加成高壓。每個功率單元還有旁路控制（圖中未畫出），當某單元出現問題后，則該單元被旁路，余下的單元可以繼續工作，通過平衡算法控制使輸出的線電壓維持平衡，這樣增強了系統的可靠性。
3.2 多電平變頻器基本控制原理
異步電機的轉速公式為： （2）
　其中：n是電機轉速，f是定子頻率，s是電機轉差率，P是電機極對數。
　　對于異步電動機，P一般是固定的，s可調范圍也很小，f可變范圍很大。故調f是現在最主要的調速方式。根據電機理論，為了保持一定的轉矩能力必須維持磁通密度基本恒定，這樣就必須維持定子電壓和定子頻率的比值基本恒定，即變壓變頻控制（VVVF）。
多電平變頻器的一般采用載波相移SPWM控制技術，其基本原理是：每相由N個級聯單元組成，每個單元三角載波的相位角依次差360/N,同一相采用相同的正弦調制信號,利用SPWM技術中的波形生成方式和多重化技術中的波形疊加結構產生SPWM波形，從而實現多電平SPWM輸出；A，B，C相之間參考波依次相差120 。
　　對于每相由N個模塊單元級聯而成的變頻器，相電壓電平數最大為2N＋1，線電壓電平數最大為4N＋1，由此可見級聯模塊越多則輸出波形越接近正弦波，這樣有利于減小dv/dt和諧波。圖3是6個單元級聯輸出線電壓圖，可以看出輸出波形非常接近正弦波。

圖3 46Hz輸出電壓波形
Fig3 output voltage waveform when the frequency is at the 46Hz

3.3 變頻改造設計使用說明
（1）經分析和試驗，設定高壓變頻系統為壓力閉環，用戶在界面輸入給定壓力（推薦值0.62Mpa），變頻器內置數字PID調節器，調節器的輸出是給定電機的輸出頻率，通過調頻來調節壓力。實際壓力小時，負反饋調節器使輸出頻率增加進而使輸出壓力上升以維持給定壓力；實際壓力大時，負反饋調節器使輸出頻率降低使壓力降低以減小能耗。
（2）加減速時間的設置，必須既要滿足工藝需要，又要保證系統可靠性，加速時間如設置的太小，則啟動或加速過程中轉差率較大會造成電流過大。同理，減速時間如設置的太小，在減速的過程中，電動機運行在發電機狀態時向變頻器反充電可能會造成模塊電容電壓過高，影響系統可靠性。經試驗和分析，本機系統加速時間范圍：60S至150S；減速時間：可在120S至300S。
（3）因為空壓機控制系統啟動前有壓力判斷裝置，所以變頻器啟動前一般要等到壓力約小于等于0.45MPa才允許啟動。
（4）隔離開關和斷路器的順序一定要正確；采用變頻改造后由于電機能耗下降，電機軸溫下降（原來軸溫平均95度，改造后平均溫度80度）其它各項摩擦損耗都下降，對于提高設備的壽命是很有利的，所以兩臺空壓機的切換周期建議改為10天。
4.系統試驗和節能計算
整機系統在現場做了調試并采集了試驗波形。
4.1系統試驗
圖4是采用變頻改造后異步電機啟動過程電流波形，圖5是穩態36Hz電流輸出波形。

圖4 啟動過程輸出動態電流波形
Fig4 output current waveform during the startup

圖5 穩態36Hz時輸出電流波形
Fig5 output current waveform when the frequency is at the 36Hz

有圖4可以看出啟動電流較小，中間有較大的幅值（尖峰值約70A），其震動是因為電機一般有低頻震動現象，該電機在7Hz----12Hz之間有機械震動。因為變頻器內部有電流反饋抑制措施使電機在很安全的范圍內運行，遠遠優于原來工頻直接啟動過程。
圖5是電機穩定運行在36Hz時的電流波形，電流有效值29.9A，可以看出電流正弦很好，輸出諧波很小，對電機很有利。
4.2 節能計算
系統原工頻運行：空壓機壓力在0.62MPa至0.75MPa之間，電機一天的平均額定電流為38A；平均功率310KW
　　采用變頻器器后運行后：壓力基本在0.6MPa--0.65MPa，電機平均電流電機32A，輸入平均電流23A，平均輸入功率200KW。
變頻器一年按工作350天計算，則一年總節能：
（310-200）*24*350= 92.4萬度
按一度電0.5元計算，則一年可節電46.2萬元。
5.結語
　　實踐證明，高壓變頻器用于礦用螺桿式空氣壓縮機具有可靠性高、節能效果顯著、使空壓機系統實現了軟啟動，大大減少了設備維護、 維修費用等優點，具有明顯的直接和間接經濟效益，符合國家和企業的利益，有著廣闊的應用前景。
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